Uma nova teoria que explica como a luz e a matéria interagem no nível quântico permitiu aos pesquisadores definir pela primeira vez a forma precisa de um único fóton.

Uma pesquisa na Universidade de Birmingham, publicada na Physical Review Letters , explora a natureza dos fótons (partículas individuais de luz ) em detalhes sem precedentes para mostrar como eles são emitidos por átomos ou moléculas e moldados por seu ambiente.

A natureza dessa interação leva a infinitas possibilidades para a luz existir e se propagar, ou viajar, através do ambiente ao redor. Essa possibilidade ilimitada, no entanto, torna as interações excepcionalmente difíceis de modelar, e é um desafio que os físicos quânticos têm trabalhado para abordar por várias décadas.

Ao agrupar essas possibilidades em conjuntos distintos, a equipe de Birmingham conseguiu produzir um modelo que descreve não apenas as interações entre o fóton e o emissor, mas também como a energia dessa interação viaja para o distante "campo distante".

Ao mesmo tempo, eles conseguiram usar seus cálculos para produzir uma visualização do próprio fóton.

O primeiro autor, Dr. Benjamin Yuen, da Escola de Física da Universidade, explicou: "Nossos cálculos nos permitiram converter um problema aparentemente insolúvel em algo que pode ser computado. E, quase como um subproduto do modelo, fomos capazes de produzir esta imagem de um fóton, algo que nunca foi visto antes na física."

O trabalho é importante porque abre novos caminhos de pesquisa para físicos quânticos e ciência dos materiais. Ao serem capazes de definir precisamente como um fóton interage com a matéria e com outros elementos de seu ambiente, os cientistas podem projetar novas tecnologias nanofotônicas que podem mudar a maneira como nos comunicamos com segurança, detectar patógenos ou controlar reações químicas em um nível molecular , por exemplo.

A coautora, Professora Angela Demetriadou, também da Universidade de Birmingham, disse: "A geometria e as propriedades ópticas do ambiente têm consequências profundas sobre como os fótons são emitidos, incluindo a definição da forma, da cor e até mesmo da probabilidade de existência dos fótons."

O Dr. Benjamin Yuen acrescentou: "Este trabalho nos ajuda a aumentar nossa compreensão da troca de energia entre luz e matéria e, em segundo lugar, a entender melhor como a luz irradia para seus arredores próximos e distantes. Muitas dessas informações eram consideradas apenas 'ruído' — mas há tantas informações nelas que agora podemos entender e usar.

"Ao entender isso, estabelecemos as bases para podermos projetar interações entre luz e matéria para aplicações futuras, como melhores sensores, células de energia fotovoltaica aprimoradas ou computação quântica."